Библиографическое описание:

Иванова Я. О. Обзорная статья по проблемам альтернативной биохимии и химической эволюции // Молодой ученый. — 2013. — №10. — С. 61-63.

Изучение возможности формирования форм жизни, основанных на иных биохимических процессах, способно внести вклад в понимание эволюционных процессов, которые привели к появлению жизни на нашей планете. Как известно, биологической эволюции предшествовал весьма длинный период химической эволюции, основанный на процессах самоорганизации молекул и их взаимодействия с внешними факторами. В зависимости от внешних факторов или от исходных молекул могут возникнуть различные биохимические структуры. Более подробное понимание этих процессов способно внести вклад в оценку возможности существования жизни на других планетах.

В настоящее время не существует общепринятых критериев альтернативности. Например, таким критерием может послужить жизнь на базе неводных растворителей или же молекул, имеющих неуглеродную основу, или имеющих другие элементы в наборе «жизненно необходимых» элементов на Земле (к таким элементам традиционно относят C, O, P, H, S, N и т.д).

Рассмотреть в одной статье все варианты не представляется возможным, поэтому в качестве центральной темы статьи будет взята жизнь, вернее, возможность ее формирования на неуглеродной основе.

Основой всей органической химии является углерод. Его свойства позволяют ему порождать все многообразие органических соединений. Но возможно ли заменить углерод другим элементом и не потерять это многообразие≤

Как показывает опыт — нет. Но необходимо разобрать причины, почему так получается.

Углерод является четвертым по распространенности химическим элементом во Вселенной. Немногим отстает кремний — электронный аналог углерода и один из вероятных кандидатов на его роль в формировании альтернативных биомолекул. Сложности заключаются в том, что кремний имеет больший по сравнению с углеродом радиус и массу, поэтому ему сложнее образовать тройную или двойную ковалентную связь, в частности, участвовать в образовании биополимеров. Стоило бы отметить, что способность к образованию полимеров является достаточно важной, ведь большинство известных биомолекул являются полимерами (те же белки и нуклеиновые кислоты). Поэтому при рассматривании какого-либо элемента будет указываться его способность образовывать полимеры.

В качестве примера у кремния выделить полиорганосилоксаны — полимеры, содержащие в своей основе цепочку –Si-O-Si-O -, по бокам которой присоединяются различные группы. Эти соединения достаточно стабильны. Кроме такого вида полимеров можно выделить силаны — соединения кремния и водорода, гомологичные алканам и во многом подобные химическим свойствам последних. Но силаны — достаточно неустойчивые соединения, способные к самовоспламенению. Многое упирается в то, что энергия связи Si-Si и Si-H слабее соответствующих углеродных связей, поэтому кремний не способен образовать такое же большое многообразие соединений, как углерод. Но нельзя не упомянуть о том, что хоть соединения вроде силанов неустойчивы в определенных земных условиях, то, вероятно, подходящие условия для них могут обнаружиться на других планетах.

Электронными аналогами углерода являются так же германий и свинец — у них тоже существуют полимерные соединения, подобные алканам — германы и плюмбаны, но их устойчивость сравнительно невысокая, особенно по сравнению с алканами. Практически тоже самое можно сказать о бороводородах (боранах). Эти соединения тоже подобны алканам, но отличаются электронодефицитностью и малой устойчивостью.

Другим, надо отдать должное, популярным элементом, годящимся на роль замены углерода, был одно время мышьяк. Особенно большой ажиотаж вызвало обнаружение в озере Моно (штат Калифорния) бактерии GFAJ-1, которая, по первоначальным наблюдениям, могла использовать мышьяк вместо фосфора — одного из жизненно важных элементов. [5] Но проверка наблюдений показала, что бактерия хоть и способна выживать при достаточно высоких концентрациях мышьяка, все-таки не использует его прямо для своих нужд. В частности, при высокой концентрации фосфора бактерии размножались гораздо лучше и успешнее, что показывает, что бактерии не способны полностью заменить фосфор на мышьяк, даже наоборот, фосфор им так же необходим для нормального функционирования, как и другим организмам. Поэтому следует, вероятно, исключить возможность потенциального возникновения этих бактерий от иного общего предка всех организмов, скорее всего их способность использовать мышьяк — результат вторичного приспособления к середе обитания. Вероятно, можно сделать предположение, что по прошествии многих лет эволюции GFAJ-1 станут еще лучше использовать мышьяк, аможет быть и действительно заменят им фосфор. Отдавая должное, следует сказать, что приспособленность бактерий так использовать элемент, ядовитый для других организмов, впечатляет. Хотя стоит ли поражаться этому, если существует довольно-таки много бактерий-экстремофилов, могущих жить в очень суровых условиях≤

До этого абзаца речь шла о каких-либо единичных элементах, способных заменить другие жизненно важные элементы. Но далее необходимо сделать акцент на парах элементов, выступающих в связке друг с другом и способных так же образовывать полимеры.

И первым примером послужит сочетание элементов азот и фосфор. Несомненно, азот и фосфор являются жизненно необходимым элементами на Земле, но их возможные сочетания и комбинации в гипотетических биомолекулах являются довольно необычной концепцией. Известной способностью фосфора является образование полимерных цепочек, но фосфор достаточно активный неметалл. Азот же слишком инертен, поэтому их химическая связь с фосфором может быть в некотором роде взаимокомпенсируемой. Известно так же то, что азот и фосфор могут входить в состав полимеров, например, полифосфазенов.

Другим интересным примером являются бор и азот. Их соединения — амин-бораны являются изоэлектронными аналогами соответствующих углеводородов. Но, несмотря на это, амин-бораны и углеводороды различаются по свойствам, в частности, из-за сильной разницы в электроотрицательности бора и азота. Тем не менее, хотелось бы сделать акцент на том, что были получены подобные аналоги аминокислот. Например, В-N-аналогом пропионовой кислоты является амминкарбоксиборан H3NBH2COOH. Любопытно, что эти вещества обладают рядом важных свойств, в число которых входит противоопухолевая активность и способность восстанавливать холестерин. [2]

Эта статья во многом обзорная, поэтому в качестве примеров своеобразной «замены углерода» были приведены только наиболее вероятные кандидаты. Резюмируя вышесказанное, стоит сказать, что существуют элементы, которые могли бы с довольно высокой долей вероятности заменить углерод в соединениях, но только при определенных условиях, что является очень немаловажным, особенно если применять это в контексте химической эволюции. На этом этапе естественный отбор уже действовал на химические реакции — некоторые протекали быстрее и наиболее эффективно, образуя впоследствии сложные циклы реакций, а менее эффективные реакции наоборот, затухали.

К сожалению, этап химической эволюции по-прежнему остается малоизученным явлением, во многом потому, что о геохимических условиях древней Земли известно не так уж и много. Но можно сделать предположение, что даже если в тех условиях могли протекать реакции, основанные не на углероде, то они были неэффективны. Энергетическое преимущество получали реакции, которые наоборот, были основаны на углероде, и они в конечном итоге привели к формированию жизни.

На других планетах вполне могут быть такие условия, которые могли поддерживать существование таких молекул, которые на Земле были бы неустойчивы, и в конечном итоге, возможно, это привело к формированию жизни, основанной на альтернативной биохимии.

Изучение альтернативных биохимических процессов экспериментально является достаточно сложной задачей, и по большей части, наиболее успешным в этой области является компьютерное моделирование.

Разговаривая о подобных моделях, нельзя не упомянуть про Avida — симулятор искусственной жизни. В этой программной среде в роли организмов выступают программы, основная задача которых — создать как можно больше своих копий. Инструкции таких цифровых организмов имитируют генетический код. Avida способна вносить случайные изменения в код программ, что аналогично мутациям в генетическом коде живых организмов. В ходе этих изменений «организмы» приобретали какие-либо новые возможности для выполнения более сложных задач, а «наградой» за успешное выполнение этих заданий являлся больший объем времени для саморепликации. Впоследствии наиболее «приспособленные» программы вытесняли менее «приспособленные», что является аналогом естественного отбора в реальной жизни.

Avida является прекрасным симулятором процессов эволюции, наглядно продемонстрировавшая, как происходят эволюционные процессы.

Разработка аналогичной программы для моделирования химической эволюции будет способна сделать вклад в понимание этого процесса. В качестве теоретической основы для этой модели можно использовать теорию гиперциклов М. Эйгена. Сущность этой теории заключается в появлении на определенной стадии химической эволюции автокаталитических циклов реакций, обладающих некоторыми признаками живого, например, способностью к хранению информации. В гиперциклах участвуют молекулы, могущие самовоспроизводиться. Молекулы такого рода являются репликаторами. Известный британский биолог Р.Докинз в своем труде «Эгоистичный ген» справедливо замечает, что фундаментальным свойством всего живого является дифференциальное выживание реплицирующихся единиц. [1] В силу разных обстоятельств, получилось так, что репликаторами стали нуклеиновые кислоты, например, ДНК.

Возвращаясь к описанию программы, следует добавить и то, что в её функцию может входить не только просто моделирование химической эволюции, которая протекала на Земле, то есть основанная на биомолекулах, содержащих углерод. С её помощью можно моделировать аналогичные процессы химической эволюции с участием «альтернативных биомолекул», если корректно так выразиться. Важный упор делается, в первую очередь, на условия, в которых могут протекать химические реакции, приводящие, в конечном итоге, к формированию молекул-репликаторов и гиперциклов. В зависимости от этих условий, куда могут входить и состав среды с определенным набором веществ, температура, давление и т.д, могут протекать различные химические реакции, которые, вероятно, впоследствии самоорганизуются в гиперциклы с участием молекул-репликаторов. Если итог моделирования будет таким, то это может считаться успехом.

В заключении хотелось бы коротко обобщить все вышесказанное. В первую очередь, углерод не является единственным элементом, способным образовывать полимерные молекулы, но в условиях древней Земли реакции с участием этих молекул были наиболее энергетически успешными и у них не было никакой альтернативы. В конечном итоге, это привело к появлению биомолекул, а в дальнейшем и репликаторов, что в конечном итоге стало той жизнью, что мы наблюдаем сейчас. Если бы условия были другие, и, соответственно, конкуренция со стороны углеродных молекул была сведена к минимуму, то у реакций, основанных на других элементах, было бы больше шансов протекать успешнее и в конечном итоге, привести к формированию иных биомолекул. И, наконец, касаемо экспериментальной части. Эксперименты в реальных условиях достаточно трудновоспроизводимы, поэтому ключевую роль следует отвести имитационному моделированию — созданию программ, которые смогут имитировать процессы химической эволюции в зависимости от условий. Хотелось бы выразить надежду на прогресс изучения альтернативной биохимии и химической эволюции, так как, в конечном итоге, это способно не только внести вклад в понимание, например, возможности существования жизни на других планетах, эволюционных процессов на Земле, но принести что-то новое в понимание фундаментальных свойств всего живого.

Литература:

1.                  Докинз Р. Эгоистичный ген. — М.: АСТ Corpus, 2013.

2.                  Шрайвер Д., Эткинс П. Неорганическая химия: Учебник. Пер. с англ. В 2 т. Т. 2. — М.: Мир, 2004.

3.                  Эйген М., Шустер П. Гиперцикл. Принципы самоорганизации макромолекул. — М.: Мир, 1982.

4.                  Лазио Ж. — Почему мы полагаем, что другая жизнь должна быть основана на углероде≤ Почему не могут существовать организмы, основанные на других веществах≤ // Материалы лекции Алана Легера, проведенной в SPIE Astronomical Telescopes and Instrumentation, 2000.

5.                  Arsenic-eating microbe may redefine chemistry of life [электронный ресурс]. // © Nature Publishing Group, a division of Macmillan Publishers Limited, 1996–2013. — URL: http://www.nature.com/news/2010/101202/full/news.2010.645.html (дата обращения 06.09.2013).

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle